Feuchteinduzierte Spannungen und Delaminierungen in Brettschichtholz

• Forschungsstelle: BAFU
• Projektnummer: WHFF 2015.04

Schlüsselwörter (Deutsch)

Spannungen, Delaminierungen, Brettschichtholz, Laubholz, Esche

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Untersuchungen zur experimentellen und rechnerischen Erfassung von feuchteinduzierten Spannungen und Delaminierungen in Brettschichtholz aus Laubholz, insbesondere Esche

Projektbeschreibung (Deutsch)

Ein im Rahmen von NFP 66 an der ETH entwickeltes FE-Programm zum Simulation der Delamination von Buchenholz wird für die Optimierung des Aufbaus von Brettschichtholz aus Nadel- und Laubholz genutzt. Das Programm ermöglicht es, hygro-mechanische Simulationen mit elastischen, viskoelastischen, plastischen und mechano-sorptiven Komponenten durchzuführen. Es werden Simulationsrechnungen sowie ausgewählte Experimente zur Validierung der Berechnungen durchgeführt. Die wissenschaftlichen Ziele bestehen in der Demonstration der Machbarkeit von Optimierungen mit realistischen Mehrfeld-Materialmodellen für Holz, die auf Dauerhaftigkeit von BSH zur Verminderung von Rissbildung abzielt.

Im Fokus stehen zum einen Spannungsmoderation über behinderten Feuchteübergang durch Beschichtungen, zum anderen Spannungsreduktion durch die Aufbauten selbst. Experimentell wird Feuchtetransport durch unterschiedliche Beschichtungssysteme an Schalenversuchen und Fichte-BSH durchgeführt, um notwendige Transportparameter für die vergleichenden Feuchteprofile in Simulation und Experiment zu bestimmen. Mit diesen wird gezeigt, wie sich Beschichtungen abhängig vom Klimaprofil auf das Delaminationsrisiko auswirken. Der Einfluss 10 unterschiedlicher Aufbauten aus Fichte, Esche und in Kombination wird an Trägersegmenten der Abmasse 36x36x70cm untersucht, deren Schädigungsentwicklung in 4 unterschiedlichen Klimata ausgewertet wird. Begleitende Simulationen erklären die Schädigungsbildung anhand der auftretenden Feuchteprofile und induzierten Eigenspannungen. Die besonders schwierigen hybriden Fichte-Esche Träger werden daraufhin mit Optimierungsverfahren, basierend auf Ersatzmodellen exemplarisch optimiert und es wird gezeigt, dass bei identischer Biegesteifigkeit nur durch den Aufbau Delaminations-relevante Spannungen deutlich reduziert werden können. Vor diesem Hintergrund erfolgt eine Interpretation der im House of Natural Resources der ETH aufgetretenen massiven Rissbildung. Die Bearbeitung erfolgt in Kooperation BFH Biel; ETH Zürich und der Fa. neue Holzbau in Lungern, mit der bereits seit einigen Jahren an der Thematik der Laubholzverklebung gearbeitet wird.

Abstract (Deutsch)

Ein im Rahmen von NFP 66 an der ETH entwickeltes FE-Programm zum Simulation der Delamination von Buchenholz wird für die Optimierung des Aufbaus von Brettschichtholz aus Nadel- und Laubholz genutzt. Das Programm ermöglicht es, hygro-mechanische Simulationen mit elastischen, viskoelastischen, plastischen und mechano-sorptiven Komponenten durchzuführen. Es werden Simulationsrechnungen sowie ausgewählte Experimente zur Validierung der Berechnungen durchgeführt. Die wissenschaftlichen Ziele bestehen in der Demonstration der Machbarkeit von Optimierungen mit realistischen Mehrfeld-Materialmodellen für Holz, die auf Dauerhaftigkeit von BSH zur Verminderung von Rissbildung abzielt.

Im Fokus stehen zum einen Spannungsmoderation über behinderten Feuchteübergang durch Beschichtungen, zum anderen Spannungsreduktion durch die Aufbauten selbst. Experimentell wird Feuchtetransport durch unterschiedliche Beschichtungssysteme an Schalenversuchen und Fichte-BSH durchgeführt, um notwendige Transportparameter für die vergleichenden Feuchteprofile in Simulation und Experiment zu bestimmen. Mit diesen wird gezeigt, wie sich Beschichtungen abhängig vom Klimaprofil auf das Delaminationsrisiko auswirken. Der Einfluss 10 unterschiedlicher Aufbauten aus Fichte, Esche und in Kombination wird an Trägersegmenten der Abmasse 36x36x70cm untersucht, deren Schädigungsentwicklung in 4 unterschiedlichen Klimata ausgewertet wird. Begleitende Simulationen erklären die Schädigungsbildung anhand der auftretenden Feuchteprofile und induzierten Eigenspannungen. Die besonders schwierigen hybriden Fichte-Esche Träger werden daraufhin mit Optimierungsverfahren, basierend auf Ersatzmodellen exemplarisch optimiert und es wird gezeigt, dass bei identischer Biegesteifigkeit nur durch den Aufbau Delaminations-relevante Spannungen deutlich reduziert werden können. Vor diesem Hintergrund erfolgt eine Interpretation der im House of Natural Resources der ETH aufgetretenen massiven Rissbildung. Die Bearbeitung erfolgt in Kooperation BFH Biel; ETH Zürich und der Fa. neue Holzbau in Lungern, mit der bereits seit einigen Jahren an der Thematik der Laubholzverklebung gearbeitet wird.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Zugehörige Dokumente

• Feuchteinduzierte Spannungen und Delaminierungen in Brettschichtholz [PDF] 10'624 kB